新型富铈镍基合金热喷涂粉末及工艺性能研究
苏义祥，丁丁，门志慧
粉末冶金技术
引：随着尖端科学和现代工业的发展，越来越多地要求机械设备能在高温、高压、高速度和恶劣工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行。因此，对材料的性能也提出更高要求。采用高性能的材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果，显然是不经济的，有时甚至是不可能的。所以，研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义，并且表面处理技术也是国家倡导的修复强化再制造工程研究方向。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。镍基合金热喷涂粉末是一种非常好的抗磨损、耐腐蚀的喷涂熔覆材料，广泛应用于石油钻采、石油炼化、矿山机械、航空航天、军用设备等长效防护技术方面，试验采用热喷涂技术修复再制造与强化大型关键设备及进口零部件国产化，近年来这方面已有许多成功应用实例。随着我国热喷涂技术的发展与提高，对喷涂层质量要求也越来越高。钢铁工业中的大量工件，长期满负荷运行在高温氧化、腐蚀、机械磨损等恶劣环境下，致使设备部件很容易遭受损坏，诸如烟道的高温腐蚀，连续铸造生产线支承辊、导辊、夹紧辊的冷热疲劳，板坯连铸线结晶器、输送辊及各种工艺辊的机械磨损，冷轧机生产线的紧张辊、矫直辊的疲劳磨损等故障问题，都可通过热喷涂高强度、高性能的合金热喷涂粉末材料予以解决。采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。因此，研究工艺适应性很好的高强度、耐腐蚀合金热喷涂粉末材料非常关键，是获得高质量表面喷涂熔覆层的保证。
摘要：采用氮气雾化工艺制备富铈镍基合金热喷涂粉末；用等离子喷涂工艺、氧乙炔喷涂电感应熔覆工艺、氧乙炔喷涂二次熔覆工艺对新型富铈镍基合金热喷涂粉末进行工艺性研究；并考察了富铈稀土对镍基合金热喷涂粉末的影响。结果表明，镍基合金热喷涂粉末中加入富铈稀土能使合金热喷涂粉末的球形度变好，流动性提高，喷涂过程流畅，熔覆层硬度均匀，适用于不同工况条件下的热喷涂熔覆工艺。
关键词：热喷涂；热喷涂粉末；富铈稀土；镍基合金；热喷涂粉末材料；工艺性能
1 试验
1．1合金成分确定
设计加入了抗氧化耐热性好的富铈[98％Ce／RE，2％(La+Pr+Nd+Sm+Y)／RE，Fe、A1、C等非稀土杂质小于2％]混合稀土制备合金热喷涂粉末，其成分范围见表1，使新型合金热喷涂粉末的球形度变好，金相组织更加细密，合金硬度稳定而均匀。
1．2热喷涂粉末制备
合金在熔炼过程中待其它元素融化后用钟罩将富铈混合稀土压人合金液(1500摄氏度左右)中，经脱氧、精炼、排气、清渣、检验合格后出炉，通过氮气雾化过程制备成粒径为100~1541µm．的合金热喷涂粉末。热喷涂粉末试样成分见表2，热喷涂粉末形貌见图1、图2。
从图l看出加入富铈稀土的合金热喷涂粉末颗粒球形度好，表面光洁，粒度均匀，热喷涂粉末流动性好。未加富铈稀土的热喷涂粉末表面粗糙，形貌不规整，粘附小的卫星颗粒(见图2)；此种热喷涂粉末的流动性差，氧化机会增大。
1．3试样制备
分别采用等离子(氩气保护)喷涂熔覆、氧乙炔喷涂电磁感应熔覆、氧乙炔喷涂二次氧乙炔熔覆工艺制备试样。等离子试样为Ø60mm×20mm圆柱，表面熔覆2mm合金层；氧乙炔喷涂电磁感应熔覆试样和氧乙炔喷涂二次氧乙炔熔覆试样直径枷30mm×20mm(壁厚)的钢管，表面熔覆2mm合金层。然后将其粗磨抛光后用光学显微镜及BEM背散射扫描电镜分析观察金相组织。
1．4硬度试验
用HBRVU一187．5型布洛维光学硬度仪测量熔覆层表面硬度。每个试样测5个压点，其中两相邻测点或任意测点距试样边缘的距离不少于3mm,实测时每个测点之间的距离大于10ram，其数据见表3。
富铈镍基合金热喷涂粉末熔覆层的平均表面硬度比镍基合金热喷涂粉末熔覆层的硬度均匀性较好，起伏度较小，一般不超过1HRC，且硬度略高。而镍基合金热喷涂粉末熔覆层的硬度均匀性较差，一般相差2HRC左右。说明合金热喷涂粉末中的稀土铈元素在合金喷涂熔覆过程中起到和熔炼过程中相同的净化效果，即二次净化和细化作用，使熔覆层的组织细密均匀，质量更加稳定。由于镍基合金材料对热处理效应不明显，其温度的变化对硬度影响较小，所以用不同工艺方法喷涂熔覆的合金层其硬度没有显著变化。
1．5磨损试验
磨损试验在中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家实验室RFT．111型往复摩擦磨损试验机上测试。试样为直径Ø8mm×30mm圆柱，对偶件为70mm×13．7mm×l0mm白刚玉砂条，粒度为80µm，试样表面粗糙度在0．8～0．4µm。测试速度为150m／rain；每个试样测试1500次；测试负荷为147N；测试时间为10min；测试行程为60mm；室温16℃；湿度29％；无润滑干摩擦试验。磨损量用精度为万分之一的电子分析天平测试。
2试验结果及分析
2．1显微组织
图3、图4、图5分别是富铈镍基合金热喷涂粉末用不同的工艺方法制作的等离子喷涂熔覆层、氧乙炔喷涂电磁感应熔覆层、氧乙炔喷涂二次氧乙炔熔覆层的金相组织照片。
从图3、图4、图5金相照片看出，富铈镍基合金热喷涂粉末材料用不同的工艺方法制作熔覆层的金相组织性变化，都均匀而细密。这是由于富铈稀土的加入发形核；此外铈元素在晶核表面的吸附作用也能阻碍晶核长大使组织细化一。10|。图中的深灰色(较暗)为基体相Ni-cr(Fe)固溶体，浅灰色(较白亮)为CrB相，黑色为碳化物和硅化物相。
图3是等离子喷涂熔覆层，由于等离子在喷涂熔覆过程中瞬间温度较高，对基体材料(45号钢)热作用大，熔池较深，造成基体材料的冷却速率减缓；熔覆层在较缓慢的速率下冷却其析出相(碳化物和硅化物)较多，组织变得较为粗大。图4是氧乙炔喷涂电磁感应熔覆层，由于电磁感应速率较快，感应温度一般在1100℃左右，相比之下对基体材料的热作用深度较浅，冷却速率较快，合金熔覆层中的析出相相对减少，组织细密而均匀。图5是氧乙炔喷涂二次氧乙炔熔覆层，它和电磁感应熔覆层有类似之处，由于氧乙炔喷涂二次氧乙炔熔覆的温度更低，一般在1000。C左右，它对基体的热作用更小，冷却速率更快，金相组织显得更加的细密均匀。
2．2磨损性能
试验表明，新型富铈镍基合金热喷涂粉末的硬度略高于镍基合金热喷涂粉末，主要原因是富铈稀土细化了组织结构，细化了合金晶粒，稳定了材料的硬度，细密而均匀的组织有效地抑止了硬质相在摩擦过程中从基体相中剥落，因此材料的耐磨性能有所提高。同等试验条件下，镍基合金热喷涂粉末覆层磨损表面犁沟较长且深，纹理较宽；富铈镍基合金热喷涂粉末覆层磨损表面犁沟较短且浅，纹理较细(宏观照片略)。两种试样磨损表面都没有发生塑性变形，但富铈镍基合金热喷涂粉末覆层的磨损质量损失比镍基合金热喷涂粉末覆层的磨损质量损失减少。磨损质量损失见表4。
2．3结合面形貌
从图6、图7、图8熔覆层结合面看出，三种不同的喷涂熔覆工艺的结合面都有原子扩散现象，结合面均有一条明显的锯齿状冶金结合带，这种结合是牢固的，工作过程中不会产生剥落和分离现象。
2．4工艺性能
合金热喷涂粉末的主要性能应该满足喷涂工艺要求，如热喷涂粉末流动性、球形度、粒度分布、松装密度等。在镍基合金中加入微量元素富铈(Ce)稀土后制备的合金热喷涂粉末颗粒球形圆整(见图1)，表面光洁，粒度分布均匀(100—154µm)，松装密度适中(4．3—4．59／cm3)，流动性好(20—22s／(50g))。流动性良好的合金热喷涂粉末能提高喷涂效率，可实现喷涂过程中均匀顺畅送粉，涂层薄厚均匀，表面平整光洁，对喷涂工艺的适应范围宽，有利于多种工艺喷涂，且保证喷涂工件表面质量。未加富铈稀土的热喷涂粉末颗粒表面粗糙(见图2)，形貌不规整，粒度分布分散(100—185µ)，松装密度较小(4．1—4．39／cm2)，流动性较差(24—26s／(50g))，热喷涂粉末在喷涂过程中粉体流不连续，氧化机会增大，造成涂覆层薄厚不均，涂层表面高低起伏度增大，喷涂表面质量差，对喷涂工艺的适应范围变窄。并且易发生喷涂枪嘴结渣、堵枪等现象，严重时可烧毁喷嘴。因此，生产高质量的合金热喷涂粉末可适应不同的喷涂工艺，也是保证制备高质量喷涂层的关键所在。
3 结论
1)富铈镍基合金热喷涂粉末材料中微量稀土铈(Ce)元素，可使材料的硬度均匀稳定，并对抗磨性能有所提高。
2)富铈镍基合金热喷涂粉末材料中稀土铈(Ce)的残留量控制在0。02—0．3％之间时，可以获得颗粒球形圆整、表面光洁、粒度分布均匀(100—1541xm)、松装密度适中(4．3—4．59／cm5)、流动性好(20—22s／(50g))的合金热喷涂粉末。
3)富铈镍基合金热喷涂粉末材料用等离子喷涂熔覆、氧乙炔喷涂电磁感应熔覆、氧乙炔喷涂二次氧乙炔熔覆等工艺方法都能在金属表面获得致密度良好的熔覆层。
图略
参考文献略
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